BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG…………… Luận văn

Nghiên cứu bộ biến đổi công suất
Simovert Masterdrives của Siemens

1 LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây khoa học kĩ thuật và công nghệ phát triển rất
mạnh mẽ, lĩnh vực Điện – Điện tử cũng không nằm ngoài trào lưu đó. Chính
khả năng phát triển mạnh mẽ như vậy đã làm nên quá trình chuyển biến sâu
sắc cả về lý thuyết lẫn thực tiễn trong đời sống khoa học kĩ thuật và công
nghệ.
Điều này trước hết phải kể đến sự ra đời ngày càng hoàn thiện của các
bộ biến đổi công suất. Với kích thước nhỏ gọn, tác động nhanh, cao, dễ dàng
ghép nối với các mạch dùng vi điện tử, vi xử lý hoặc máy tính. Các hệ truyền
động điện tự động ngày nay thường sử dụng theo nguyên tắc điều khiển mạch
vòng nối cấp, các mạch điều khiển thích nghi hay nguyên tắc điều khiển vectơ
cho động cơ xoay chiều. Phần lớn các mạch điều khiển này dùng các bộ biến
tầnvới chương trình phần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số
hoặc luật điều khiển. Vì vậy nó làm tăng độ tác động nhanh và độ chính xác
cao cho hệ truyền động. Chính vì lý do này mà việc chế tạo chuẩn hóa các hệ
thống truyền động hiện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàng đáp
ứng theo yêu cầu của nhà sản xuất.
Để giải quyết các vấn đề trên và hiểu rõ hơn về các bộ biến tần em đã

hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối
tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách
thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng
lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn
thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến
đổi.Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng
cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp
3

ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với
chất lượng phù hợp trong
các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có
tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được.
Ứng dụng:
Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công
nghiệp hiện đại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng
dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện,
giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ
quặng mỏ,các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều
các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau Trong những năm gần đây
công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt
bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày
càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.
Phân loại:
Ta có thể phân loại các hệ thống biến đổi điện tử công suất dựa vào tín
hiệu vào và ra là xoay chiều hay một chiều:
Bộ chỉnh lưu (AC – DC)
Bộ nghịch lưu (DC – AC)
Bộ biến đổi điện xoay chiều (AC – AC)
Bộ biến đổi điện một chiều (DC – DC)

Mạch lọc nhằm đẩm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho
tải là bằng phẳng theo yêu cầu
1.2.2. Phân loại
Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:
a) Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba
pha, 6 pha …
b) Phân loại theo mạch van bán dẫn trong mạch van.
Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là Diode và Tiristor với các loại
mạch:
Mạch van dùng toàn Diode, gọi là chỉnh lưu không điều khiển
Mạch van dùng toàn Tiristor, gọi là chỉnh lưu điều khiển
BA
MV
LỌC
5

Mạch chỉnh lưu dùng cả Diode và Tiristor, gọi là chỉnh lưu bán đièu
khiển
c) Phân loại theo sơ đồ mắc các van. Có hai kiểu mắc van:
Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho
mạch van. Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau -
hoặc catôt chung, hoặc anôt chung
Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp
cho mạch van. Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia
lại mắc chung nhau anôt.
1.3. BỘ NGHỊCH LƢU (DC – AC) [2]
1.3.1. Chức năng, ứng dụng và phân loại
a) Chức năng: Nghịch lưu là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành
dòng điện xoay chiều có tần số thay đổi được và làm việc với phụ tải
độc lập

- Điện áp ra có thể giữ không đổi hoặc thay đổi được ở tần số cố định hoặc
thay đổi được
- Điện áp ra lý tưởng của nghịch lưu phải có dạng sin. Tuy nhiên dạng sóng ra
của các bộ nghịch lưu trên thực tế không có dạng sin chuẩn (do linh kiện
nghịch lưu là các khóa làm việc ở chế độ đóng cắt) và chứa các sóng hài bậc
cao. Các dạng sóng hài này có thể gây ra nhiễu dưới dạng lan truyền trong cáp
dẫn hoặc dạng tia do bức xạ sóng điện từ, gây ảnh hưởng không tốt đến tải,
nguồn và mạng viễn thông. Vì vậy các biện pháp sử dụng để chống nhiễu là
cần thiết: các bộ lọc nguồn, thiết bị nghịch lưu được đặt trong tủ kim loại, sử
dụng cáp bọc.

7

Nghịch lƣu áp một pha
Trên hình vẽ 1.2 trình bày sơ đồ bộ nghịch lưu điện áp một pha

Hình 1.2. Bộ nghịch lưu điện áp một pha


3
thì C
1
phóng điện qua T
1
, T
2
còn C
2
phóng qua T
3
, T
4
. Như vậy
dòng qua T
1
, T
4
giảm tới không, các tiristor này bị ngắt. Các diode D
1
– D
4

ngăn các tụ chuyển mạch với tải để loại trừ ảnh hưởng của các tụ lên tải. Các
diode D
5
– D
8
tạo thành một cầu ngược cho dòng phản kháng đi qua tụ C
0

2
dùng để hạn chế dòng điện phóng
của C
1
, C
2
không qua tiristor cần khóa (vì C
1
còn có thể phóng điện trong
mạch D
1
– D
5
– L
1
– T
2
, còn C
2
trong mạch T
3
– L
2
– D
8
– D
4
). Nếu không có
8


tự ngẫu) nên tụ C nạp tới điện áp gần bằng 2E. Khi mở T
2
, tiristor T
1
bị ngắt
điện bởi tụ điện C. Ở hệ thống (hình a) tụ nạp chuyển đổi cộng hưởng trong
mạch C – T
2
– L – D
1
tới điện áp 2E với dấu âm. Áp trên tụ không thể vượt
quá giá trị 2E bất kể có cộng hưởng ở mạch tải do có phóng ngược của tụ qua
những diode tương ứng và nguồn nạp. Thời gian để ngắt tiristor bằng 1/4 chu
kỳ dao động riêng của mạch L – C. Xung dòng điện chuyển nạp cộng hưởng
9

tụ điện có biên độ tương đối lớn, điều đó ảnh hưởng tới việc xuất hiện tổn hao
phụ trong các phần tử chuyển mạch.
Để giảm các tổn hao đó người ta sử dụng sơ đồ có biến áp tự ngẫu. Nếu
diode D
1
, D
2
được nối vào các đầu ra cuộn sơ cấp biến áp thì mạch chuyển
nạp tụ điện được nối tới các đầu tận cùng cuộn sơ cấp. Trong trường hợp này
năng lượng phản kháng tích tụ trong L ở đoạn cuối quá trình chuyển mạch
không bị dồn ứ trong mạch để tự tiêu hao hoặc biến đổi mà được gửi về
nguồn qua những diode và phần cuộn dây thích hợp. Hệ thống cho phép đưa
trả một phần năng lượng phản kháng về nguồn. Dạng điện áp ra là sóng chữ
nhật, việc sử dụng điện áp chữ nhật trong nhiều trường hợp gây ra hậu quả

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị của bộ biến đổi xung áp

Trong khoảng thời gian 0 ÷ t
1
, khóa K đóng lại, điện áp trên tải U
R
sẽ có giá
trị bằng điện áp nguồn (U
R
= E); còn trong khoảng thời gian t
1
÷ T, khóa K
mở ra và U
R
= 0.
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:
U
R
=
λ – thời gian khóa K đóng;
γ – hệ số điều chỉnh;
T – chu kỳ đóng cắt của khóa K;
11

Biểu thức cho thấy để thay đổi điện áp trên tải có hai cách:
1. Thay đổi thời gian đóng khóa K, khi giữ chu kỳ đóng cắt không đổi
(phương pháp điều chế độ rộng xung).
2. Thay đổi tần số đóng cắt (f = 1/T) và giữ thời gian đóng khóa K không
đổi (λ = const).
Như vậy bộ biến đổi xung áp một chiều có khả năng điều chỉnh và ổn

Hình 1.5

Sơ đồ gồm các phần tử chủ yếu như nguồn N, bộ lọc đầu vào L, khóa
điện tử (KĐT), bộ lọc đầu ra (L
0
) và phụ tải (PT) (động cơ điện một chiều)
Nguồn một chiều có thể là ắcquy hoặc bộ chỉnh lưu
Bộ lọc đầu vào thường dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm. Tụ C có
thể được thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lượng như ắcquy
Khóa điện tử (KĐT) ngày nay được dùng chủ yếu là các van bán dẫn
điều khiển hoàn toàn
Bộ lọc đầu ra (L
0
) có tác dụng san phẳng dòng điện ở đầu ra của bộ
biến đổi
1.5. BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU (AC – AC)
Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều gọi tắt là điều áp xoay chiều thực
hiện biến đổi điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng nhưng tần số không
thay đổi.
13

Điều áp xoay chiều thường được ứng dụng trong điều khiển chiếu sáng
và đốt nóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy
bơm …
Hình 1.7. Đồ thị dòng điện và điện áp khi tải thuần trở Hình 1.8. Đồ thị dòng điện và điện áp khi tải trở cảm

Các tiristor T
1
và T
2
sẽ được mở ra trong từng nửa chu kỳ khi có xung
điều khiển ứng với các thời điểm t
1
(mở T
1
) và t
2
(mở T
2
). Đồ thị dạng dòng

chương trình làm việc của các tiristor. Giả thiết rằng tải đối xứng và sơ đồ
điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và góc mở lệch nhau 120
0
. Nghĩa là:
α
A
= α, α
B
= α - 2π/3, α
C
= α - 4π/3
β
A
= β, β
B
= β - 2π/3, β
C
= β - 4π/3
Trong đó α là góc điều khiển, còn β = α + λ
Khi mở hoặc đóng một tiristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi
dòng của 2 pha còn lại. Khi điều khiển đối xứng điện áp trên các pha tải là
điện áp của pha lưới cung cấp nó, còn ở chế độ không đối xứng điện áp trên
pha tải được xác định bằng điện áp dây của lưới mà tại thời điểm nghiên cứu
các tiristor mắc vào. Mỗi một đoạn dẫn i
T
được bắt đầu với khoảng cách dịch
pha mỗi góc α so với điểm trung tính ứng với điện áp pha ở nửa chu kỳ dương
và một góc α + π trong nửa chu kỳ âm rồi kết thúc trong khoảng λ < π. Góc
mở tiristor nằm trong khoảng π < β < α + π. Thấy rằng ở góc từ 0 ÷ α + π, khi
tiristor ở pha B không mở, tải của pha A và pha C nối với nhau băng T

AC
. Khi tăng góc α, góc dẫn của tiristor giảm do
tính chất dẫn tương hỗ của các dòng tiristor, ở những góc mở lớn hơn giá trị
góc tới hạn α
th
sẽ xuất hiện một chế độ khác. Lúc này xuất hiện những khoảng
thời gian không có dòng chạy trong cả 3 pha. Khi α > α
th
thì tiristor mở từng
cặp, ở giữa các khoảng dẫn của chúng xuất hiện vùng không có dòng điện, lúc
đó mạch làm việc ở chế độ không đối xứng.

1.6. BIẾN TẦN
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng xoayc hiều với tần số của lưới điện
thành dòng xoay chiều có tần số khác với tần số của lưới
Tần số của lưới quyết định tốc độ góc của từ trường quay máy điện do
đó bằng cách thay đổi tần số dòng điện stato ta có thể điều chỉnh được tốc độ
động cơ. Để thực hiện được vấn đề này ta dùng bộ biến tần cung cấp tần số
phù hợp với động cơ điều chỉnh tốc độ
Ở bộ biến tần làm nguồn cung cấp cho động cơ điều khiển, yêu cầu bộ
này có khả năng biến đổi tần số và điện áp sao cho tỉ số : U/f = const
Biến tần được chia làm 2 loại: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp
Các loại biến tần dùng van được sử dụng rộng rãi vì chúng có ưu điểm:
- Kích thước nhỏ nên diện tích lắp đặt không lớn
- Trọng lượng nhẹ
- Hệ số khuyếch đại công suất lớn
- Có quán tính nhỏ
18

1.6.1. Biến tần gián tiếp

1

CL
L
NL
U
2
, f
219

Biến tần nguồn áp
Hình 1.11. Biến tần nguồn áp ba pha

Trên hình 1.11 là biến tần nguồn áp ba pha
Bộ lọc sử dụng tụ C lớn ở đầu vào của bộ nghịch lưu nên điện áp đặt


Hình 1.13. Sơ đồ khối biến tần trực tiếp
~ U
1
, f
1

~ U
2
, f
2mạch van
21

Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi mà tần số được tạo ra bằng cách đóng
cắt thích hợp một dòng điện xoay chiều có tần số cao hơn. Từ điện áp xoay
chiều U
1
có tần số f
1
chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần
số f
2
.
Trong bộ biến tần trực tiếp chức năng chỉnh lưu và nghịch lưu nằm trên
cùng bộ biến đổi, không sử dụng tụ chuyển mạch mà chỉ chuyển đổi một lần
nên hiệu suất cao. Nhưng thực tế mạch van rất phức tạp với số lượng van lớn,
nhất là với mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số f

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
SIMOVERT MASTERDRIVES
2.1 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI SIMOVERT MASTERDRIVES
Bộ biến đổi công suất SIMOVERT MASTERDRIVES là bộ biến đổi
gián tiếp, có sơ đồ khối được chỉ ra trên hình vẽ 2.1
Hình 2.1. Sơ đồ khối của bộ biến đổi

Theo sơ đồ này bộ biến đổi được chia thành ba khâu như sau: Khâu
chỉnh lưu, khâu lọc, khâu nghịch lưu
- Khâu chỉnh có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thành điện áp
một chiều
- Khâu lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều và tiếp nhận năng lượng
trả về từ tải
- Khâu nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi từ điện áp một chiều thành điện áp
xoay chiều ba pha với tần số và điện áp mong muốn để cung cấp cho tải
2.2. MẠCH LỰC CỦA BỘ BIẾN ĐỔI
Sơ đồ khối mạch lực của bộ biến đổi được chỉ ra trên hình 2.2
Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz) được chỉnh lưu thành
nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) không điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu
điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu (NL) sẽ biến đổi thành nguồn
điện áp xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ.

Chỉnh lưu
Lọc
Nghịch lưu
M
23


Hình 2.4
Giả thiết T5 và T6 đang dẫn, tại ωt
1
= π/6 + α cho xung điều khiển mở
T
1
. Tiristor này sẽ mở vì u
a
> 0. Sự mở của T
1
làm cho T
3
bị khóa một cách tự
nhiên vì u
a
> u
c
. Lúc này T
6
và T
1
dẫn và điện áp trên tải là:
u

Thời điểm
Mở
Khóa
π/6 + α
3π/6 + α
5π/6 + α
7π/6 + α
9π/6 + α
11π/6 + α
T
1

T
2

T
3

T
4

T
5

T
6

T
5